Loading AI tools
электрическая лампа со ртутными парами Из Википедии, свободной энциклопедии
Дуговая ртутная люминесце́нтная лампа низкого давления, в обиходе называемая просто люминесцентной лампой — газоразрядная лампа, выполненная в виде прямой или свëрнутой определëнным образом (например, в спираль) стеклянной трубки, в которой спектр излучаемого света складывается из свечения дугового разряда в смеси аргона и паров ртути при низком (около 300 Па) давлении и вторичного свечения люминофора, возбуждаемого ультрафиолетовой составляющей свечения разряда, равномерно нанесённого на внутреннюю часть колбы[1]. Люминесцентные лампы широко использовались для освещения производственных помещений и общественных зданий в течение второй половины XX века, а в начале XXI века — также для освещения жилых помещений, когда стали массово производить компактные люминесцентные лампы, взаимозаменяемые с лампами накаливания (цоколи Е14, Е27). Согласно подписанной в 2013 году Минаматской конвенции люминесцентные лампы выводятся из обращения, а с 2020 года их производство, экспорт и импорт полностью запрещены. В современном мире вытеснены светодиодными лампами, более энергоэффективными и долговечными, не содержащими ртути, на данный момент светодиодные лампы стоят дешевле чем компактные люминесцентные.
В разделе не хватает ссылок на источники (см. рекомендации по поиску). |
Впервые свечение газов под воздействием электрического тока наблюдал Михаил Ломоносов, пропуская ток через заполненный водородом стеклянный шар[источник не указан 445 дней]. Считается, что первая газоразрядная лампа изобретена в 1856 году. Генрих Гейслер получил синее свечение от заполненной газом трубки, которая была возбуждена при помощи соленоида. 23 июня 1891 года Никола Тесла запатентовал систему электрического освещения газоразрядными лампами (патент № 454,622), которая состояла из источника высокого напряжения высокой частоты и газоразрядных аргоновых ламп, запатентованных им ранее (патент № 335,787 от 9 февраля 1886 года выдан United States Patent Office). В 1893 году на всемирной выставке в Чикаго, штат Иллинойс, Томас Эдисон продемонстрировал люминесцентное свечение. В 1894 году М. Ф. Моор создал лампу, в которой использовал смесь азота и углекислого газа, испускающую розово-белый свет. Эта лампа имела умеренный успех. В 1901 году Питер Купер Хьюитт продемонстрировал ртутную лампу, которая испускала свет сине-зелёного цвета и, таким образом, была непригодна в практических целях. Однако, её конструкция была очень близка к современной и имела намного более высокую эффективность, чем лампы Гейслера и Эдисона. В 1926 году Эдмунд Гермер[англ.] и его сотрудники предложили увеличить операционное давление в пределах колбы и покрывать колбы флуоресцентным порошком, преобразующим ультрафиолетовый свет, испускаемый возбуждённой плазмой, в более однородный белый видимый свет. Э. Гермер в настоящее время признан изобретателем лампы дневного света. General Electric позже купила патент Гермера и под руководством Джорджа Э. Инмана довела лампы дневного света до широкого коммерческого использования к 1938 году.
Люминесцентная лампа представляет собой запаянную стеклянную трубку, покрытую изнутри слоем люминофора. Трубка заполняется инертным газом давлением значительно ниже атмосферного — в несколько сотен паскалей. Также в трубку вводится небольшое количество ртути — чистой либо в виде амальгамы. На концах лампы располагаются подогреваемые электроды в виде вольфрамовых спиралей, покрытых составом, имеющим низкую работу выхода[1].
Буферный инертный газ является вспомогательным компонентом, так как основной разряд происходит в парах ртути. Буферный газ нужен для облегчения зажигания разряда, а также для уменьшения испарения катодов. На большей части длины лампы излучение происходит за счёт ионизации паров ртути, буферный газ вносит вклад в спектр излучения в основном в приэлектродных областях. В качестве буферного газа может использоваться аргон под давлением 300 паскалей[2].
Перед зажиганием лампы электроды должны быть разогреты, что необходимо как для облегчения эмиссии электронов, так и для испарения ртути[3]. В процессе работы температура электродов поддерживается за счёт саморазогрева под действием разряда. Для зажигания разряда может потребоваться импульс напряжением в несколько сотен вольт. В установившемся режиме падение напряжения, в зависимости от мощности и конструкции лампы, а также условий эксплуатации, может составлять от нескольких десятков до сотни вольт[4].
Большая часть (около 70 %) излучения разряда в парах ртути приходится на линию 253,7 нм, некоторая часть — на 184,9 и не более 3-4 % — на видимый свет[5]. Чтобы обеспечить достаточный КПД лампы, а также равномерный спектр излучения, ультрафиолетовый свет паров ртути преобразуется в видимый с помощью люминофора[3].
От люминофора зависит спектр излучения лампы, её КПД, а также в некоторой степени — пульсации. На эти параметры влияет не только состав люминофора, но также толщина его слоя, величина фракции. Также КПД снижается по мере износа люминофора за счёт появления в нём посторонних примесей. Основные виды люминофоров, применяемых в люминесцентных лампах:
Самая простая разновидность ЛЛ — линейные. Такие лампы обозначались буквой T и диаметром (в 8-х долях дюйма). Наиболее распространённый цоколь у этих ламп — G13, лампы T4 оснащались цоколем G5. Кроме линейных, существовали также кольцевые, U-образные и фигурные лампы[12].
Недостаток линейных ламп — большие габариты светильников на их основе. С появлением более стабильных люминофоров, способных работать при высоких плотностях облучения, стали разрабатываться компактные люминесцентные лампы. Такие лампы имели уменьшенный диаметр трубки, при этом сама трубка плотно укладывалась в небольшой объём. Типичные формы трубок: Н-образные, U-образные, спиральные, зигзагообразные и т. д. Большое распространение с 1990-х годов получили лампы, содержащие встроенное пускорегулирующее устройство и оснащённые винтовым цоколем, что позволяло использовать их в светильниках, предназначенных для ламп накаливания[13].
Источником первичного светового излучения в люминесцентной лампе является свечение дугового разряда в парах ртути при низком давлении. В исправной лампе и установившемся режиме работы светятся практически исключительно пары ртути, так как они имеют небольшой потенциал возбуждения, за исключением свечения прикатодных областей, где за счёт наличия быстрых электронов происходит ионизация инертных газов[14]. Другие виды разряда могут возникнуть в момент запуска, в случае неисправности лампы или пускорегулирующего устройства. Работа лампы в режиме тлеющего разряда может привести к распылению катодов, быстрой потере эмиссии и выходу лампы из строя[15][16] и увеличенному падению напряжения в прикатодной области, которая может достичь, в зависимости от материала катода, десятков или сотен вольт[17].
Для поддержания дугового разряда необходима постоянная термоэлектронная эмиссия, для возникновения которой электроды должны быть нагреты до определённой температуры. В момент запуска нагрев происходит за счёт пропускания электрического тока через спирали. После возникновения разряда нагрев катодов продолжается за счёт бомбардировки ионами газа на небольшом участке, называемом катодным пятном[18], благодаря чему после запуска лампы при работе её в штатном режиме необходимость в дополнительном прогреве катодов отпадает.
В отличие от лампы накаливания, люминесцентные лампы, как и большинство ламп дугового разряда, не могут быть включены в сеть переменного или постоянного тока напрямую. Рабочее напряжение большинства люминесцентных ламп ниже сетевого и непостоянно, а вольт-амперная характеристика электрической дуги имеет отрицательное дифференциальное сопротивление, кроме того, она зависит от температуры разряда и других внешних факторов, что не позволяет питать лампу от источника с низким внутренним сопротивлением. Поэтому последовательно с лампой требуется включить элемент, удерживающий ток лампы в определённых пределах — так называемый балласт[19].
Другая проблема, возникающая при включении лампы в сеть, связана с тем, что дуговой разряд не способен зажечься самостоятельно. Для зажигания разряда требуется прогрев катодов до температуры, при которой происходит достаточная эмиссия электронов и/или разряд высокого напряжения, создающий первичную ионизацию газа в колбе[20][21]. Существуют и другие способы зажигания дуги, но они практически не применялись в люминесцентных лампах.
Наиболее распространена схема включения лампы в сеть переменного тока, при которой последовательно с лампой (EL) подключается массивный балластный дроссель (Lб), а запуск осуществляется с помощью стартера. Дроссель, в отличие от резистора, ограничивает ток в цепи лампы за счёт реактивного сопротивления, что позволяет значительно уменьшить потери на нагрев, по сравнению со включением лампы через балластное сопротивление. Также дроссель участвует в формировании импульса высокого напряжения при запуске лампы и отфильтровывает высокочастотные составляющие тока наряду с фильтрующим конденсатором (Cф)[22].
Запуск производится следующим образом: при включении схемы в сеть переменного тока контакты стартера (Kст) замыкаются и ток протекает по цепи «дроссель-нить накала-стартер-нить накала». По истечении некоторого времени, достаточного для прогрева лампы до определённой температуры, стартер размыкается, в результате чего в дросселе возникает ЭДС самоиндукции, порождающая на электродах лампы
напряжение до нескольких сотен вольт. В качестве стартера чаще всего применялись лампы тлеющего свечения, оснащённые биметаллическими контактами, они работали следующим образом: при включении возникал тлеющий разряд, нагревающий пластины. Под действием нагрева пластины замыкались и разряд гас, отчего по истечении некоторого времени пластины снова остывали и размыкались. Если при размыкании стартера люминесцентная лампа зажигалась, напряжение на её выводах, за счёт падения на дросселе, было уже недостаточным для зажигания стартера, в противном случае стартер снова разогревался и цикл повторялся до тех пор, пока лампа не загорится. Параллельно контактам стартера обычно подключался конденсатор небольшой ёмкости (Сст) для формирования более длительного импульса напряжения. Альтернативой газоразрядному стартеру мог быть открытый биметаллический стартер, динистор, стартер с электронной выдержкой времени или стартер с фотоэлементом, реагирующим на свечение прикатодных областей лампы[22].
Возможно подключение двух и более ламп с одним дросселем, для этого лампы включаются последовательно, а каждая лампа оснащается собственным стартером.
Для уменьшения влияния пульсаций светового потока, а также для улучшения коэффициента мощности применялись двухламповые светильники с «расщеплённой фазой». В таком светильнике одна из ламп включена через традиционный балласт, а последовательно со второй лампой включался конденсатор (Cкор на схеме) достаточно большой ёмкости, благодаря чему обеспечивался сдвиг по фазе до 60° по сравнению с традиционной схемой. Дроссели для включения со сдвигом фазы оснащались дополнительной обмоткой (Lком), включавшейся последовательно со стартером и предназначенной для повышения тока накала[23]. Недостатком такой схемы, кроме сложности, был менее надёжный пуск той лампы, которая включена в цепь с конденсатором. Резистор Rраз предназначен для разрядки конденсатора Cкор после отключения питания. Включение с расщеплённой фазой позволяет снизить пульсации светового потока до 25 %, а cosφ достигает 0,9−0,95[24].
Существовали схемы включения, не требовавшие стартеров. Выделяют так называемые схемы «быстрого» и «мгновенного» зажигания, а также резонансные схемы. Схемы «быстрого» зажигания предполагали питание нагревателей от отдельных обмоток, индуктивно связанных с дросселем, из-за чего после запуска лампы ток в нагревателях хоть и снижался, но не отключался полностью. В схемах «мгновенного» зажигания предварительный подогрев спиралей не производился вовсе[15].
Недостатком бесстартерных схем «быстрого» зажигания, кроме повышенного расхода энергии на постоянно включенные нити накала, было ненадёжное зажигание лампы, сильно зависящее от напряжения сети, температуры окружающего воздуха и износа лампы. Схемы «мгновенного» зажигания требовали использования специальных ламп, для них был характерен более быстрый износ активной массы катодов. Для облегчения пуска могли применяться дополнительные внешние электроды в виде нанесённых на лампу металлических полос. Кроме того, бесстартерные ПРА имели большие габариты, массу и требовали для производства большого количества меди[15].
Работа на высокой частоте даёт множество преимуществ: снижение пульсаций, улучшение светоотдачи и режима работы ламп, а также массогабаритных характеристик светильников за счёт уменьшения размеров дросселей[25]. Наиболее широко высокочастотные балласты применялись в компактных лампах со встроенным балластом, а также в лампах, питающихся от низковольтных источников.
Работа на постоянном токе применялась достаточно редко, в основном на транспорте, несмотря на отсутствие пульсаций светового потока. При работе на постоянном токе невозможно использовать в качестве балласта дроссель или конденсатор. Вместо этого либо использовался включенный последовательно с лампой резистор (а иногда и лампы накаливания), что приводило к более высокому расходу электроэнергии, либо источник питания с высоким внутренним сопротивлением. Кроме того, работа на постоянном токе приводила к неодинаковому износу электродов, во избежание чего требовалось периодически менять полярность приложенного напряжения[26].
Люминесцентные лампы позволяют в определённых пределах регулировать световой поток путём изменения силы тока разряда. При этом, на низких уровнях яркости из-за снижения температуры катодов возрастает их износ. Чтобы предотвратить этот эффект, используется постоянный подогрев катодов. Использование диммеров с фазовым регулированием также приводит к увеличению пульсаций яркости[27].
Люминесцентные лампы имеют значительно больший срок службы, чем лампы накаливания — до 12−15 тыс. ч[28]. Продолжительность работы люминесцентной лампы определяется либо снижением светового потока, либо выходом лампы из строя из-за потери эмиссии электродов. Причины снижения яркости лампы:
Причиной потери эмиссии электродов в основном является испарение их в процессе работы и в меньшей степени — их осыпание. В процессе работы эмиссия электронов происходит на небольшом участке спирали, который сдвигается по мере наработки от сетевого конца спирали к стартерному. После полной выработки активного слоя лампа может перейти на тлеющий разряд, а после выключения перестаёт запускаться[30], зажигаясь лишь на короткое время от высоковольтного импульса стартера — в зависимости от конструкции пускорегулируюещго аппарата это как правило приводит к переходу в режим циклических попыток запуска. К числу факторов, влияющих на износ электродов, относится[31]:
Большое влияние на срок службы оказывает частота включений, так как наибольший износ оксида происходит в процессе зажигания лампы. Кроме того, недостаточный прогрев катодов при включении может уменьшить срок службы ещё больше.
Основные преимущества люминесцентных ламп перед лампами накаливания — это их высокая светоотдача (и, следовательно, КПД) — впятеро выше, чем у ламп накаливания, и длительный срок службы — до 15 тысяч часов. Но несмотря на эти достоинства, люминесцентные лампы длительное время сосуществовали с лампами накаливания.
Принципиальный недостаток люминесцентных ламп — использование ртути, что требует соблюдения определённых условий их хранения и утилизации. Именно этот недостаток нередко становится причиной их запрета. Однако имеется множество других особенностей и ограничений, из-за которых люминесцентные лампы долгое время использовались исключительно для освещения производственных помещений и общественных зданий:
Аналогично люминесцентной лампе устроена кварцевая лампа, отличие лишь в отсутствии люминофора и использовании кварцевого стекла в качестве материала колбы. Эта лампа используется для получения ультрафиолета, необходимого для обеззараживания помещений. Для освещения взлётно-посадочных полос и световой сигнализации могут применяться неоновые дуговые лампы мощностью до нескольких киловатт, имеющие похожее устройство.
Схожий с люминесцентной лампой принцип применяется в ртутных лампах высокого давления, однако конструкция таких ламп значительно отличается — в них разряд происходит во внутренней колбе, а люминофор нанесён на вторую — внешнюю. Такие лампы применялись в основном для уличного освещения, так как имеют длительное время запуска[35].
Преобразование ультрафиолетового света разряда в видимый спектр может использоваться также в лампах тлеющего разряда (CCFL-лампы) — наряду с лампами, в которых использовалось самостоятельное свечение газов, преимущественно неона. Такие лампы не содержат подогревателей, электроды в них выполнены в виде цилиндрических «стаканов»[36] и они работают при значительно более высоком напряжении. Такие лампы использовались в рекламе[37], а также в подсветке жидкокристаллических дисплеев, гораздо реже — в общем освещении.
Также существуют безэлектродные люминесцентные лампы, в которых разряд в парах ртути возбуждается электромагнитным полем расположенной снаружи лампы катушки индуктивности. Такие лампы имеют более высокий срок службы за счёт отсутствия оксидных электродов, но требуют сложной схемы накачки[38].
Все люминесцентные лампы содержат ртуть (в дозах от 1 до 70 мг), ядовитое вещество 1-го класса опасности. Эта доза может причинить вред здоровью, если лампа разбилась, и если постоянно подвергаться пагубному воздействию паров ртути, то они будут накапливаться в организме человека, нанося вред здоровью.
Законодательство по RoHS (сокращение с англ. Restriction of use of Hazardous Substances — Ограничение использования опасных веществ) регламентирует применение ртути, а также других потенциально опасных элементов в электротехническом и электронном оборудовании. 1 июля 2006 года Директива RoHS вступила в действие на всей территории Европейского сообщества. Цель Директивы очевидна — ограничить применение шести основных опасных веществ в электрическом и электронном оборудовании, тем самым обеспечивая требуемый уровень защиты здоровья людей и окружающей среды
Существует несколько фирм по утилизации ламп, и юридические лица, а также индивидуальные предприниматели обязаны сдавать лампы на переработку и разрабатывать паспорт опасного отхода. Кроме того, в ряде городов существуют полигоны по утилизации токсичных отходов, принимающие отходы от частных лиц бесплатно. В Москве перегоревшие люминесцентные лампы бесплатно принимаются для дальнейшей переработки в районных ЖЭКах, где установлены специальные контейнеры[39][40]. Если лампы не принимают в ДЕЗ и РЭУ, необходимо жаловаться в управу или префектуру.[41] В магазинах IKEA в отделе «Обмен или возврат покупок» принимают на переработку любые энергосберегающие лампы любого производителя.[42] 3 сентября 2010 года в России было принято Постановление № 681 «Об утверждении Правил обращения с отходами производства и потребления в части осветительных устройств, электрических ламп, ненадлежащие сбор, накопление, использование, обезвреживание, транспортирование и размещение которых может повлечь причинение вреда жизни, здоровью граждан, вреда животным, растениям и окружающей среде».
Постановление также содержит рекомендательные меры по предотвращению и дезинфекции помещений после происхождения аварийных ситуаций с ртутьсодержащими лампами:
V. Правила ликвидации аварийных ситуаций при обращении с ртутьсодержащими отходами.
- 27. В случае сбоя ртутьсодержащей лампы (ламп) физическим лицом в бытовых условиях, либо в случае сложного ртутного загрязнения в организации, загрязненное помещение должно быть людьми покинуто и, одновременно, должен быть организован вызов соответствующих подразделений (специализированных организаций) через Министерство Российской Федерации по делам гражданской обороны, чрезвычайным ситуациям и ликвидации последствий стихийных бедствий.
- 28. После эвакуации людей должны быть приняты достаточные меры к исключению доступа на загрязненный участок посторонних лиц, а также возможные меры по локализации границ распространения ртути и её паров.
- 29. В случае единичного разрушения ртутьсодержащих ламп в организации устранение ртутного загрязнения может быть выполнено персоналом самостоятельно с помощью созданного для этих целей демеркуризационного комплекта (состав комплекта утверждается Правительством Российской Федерации по представлению Министерства Российской Федерации по делам гражданской обороны, чрезвычайным ситуациям и ликвидации последствий стихийных бедствий совместно с Федеральной службой по экологическому, технологическому и атомному надзору и Федеральной службой по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека).
Seamless Wikipedia browsing. On steroids.
Every time you click a link to Wikipedia, Wiktionary or Wikiquote in your browser's search results, it will show the modern Wikiwand interface.
Wikiwand extension is a five stars, simple, with minimum permission required to keep your browsing private, safe and transparent.